一种半固态制浆装置及半固态制浆成型方法

本发明涉及金属半固态成型技术领域，具体而言，涉及一种半固态制浆装置及半固态制浆成型方法。

背景技术：

半固态成型是一种新兴的金属加工技术，由于半固态成型具有极大的发展优势和发展潜力，出现不久即引起了世界各国的关心和重视，使之得到了迅速发展。

近些年，随着工业的不断发展，尤其是军工导弹、汽车、航空、航天、电子、5g通讯、新能源以及兵器工业的发展，对于低成本、轻量化、高性能铸造产品的需求越来越大。采用半固态成型技术所生产的产品，由于浇注温度处于固液两相区，铸件在凝固过程中收缩量减少，铸件尺寸精度提高，成型性好，复杂件可近净形生产；同时，通过半固态成型制造的铸件在组织上消除了柱状晶和粗大的树枝晶，使产品组织细密均匀，缺陷和宏观偏析明显减少，大大提高了产品的机械性能。

目前的半固态制浆装置，利用磁感应对金属混合物进行搅拌，例如申请号为201610994969.4的一种用于金属半固态制浆的永磁搅拌装置，该永磁搅拌装置通过电机进行驱动，同时，搅拌装置的顶部具有庞大的永磁磁铁组，在启动状态下，永磁磁铁组容易对驱动电机产生磁干扰，影响驱动电机的使用寿命。

技术实现要素：

本发明解决的问题是目前的半固态制浆装置启动状态下，永磁磁铁组容易对驱动电机产生磁干扰。

为解决上述问题，本发明提供一种半固态制浆装置，从内到外依次设置有制浆容器、空心永磁转子组件以及定子组件；其中，

所述空心永磁转子组件与所述定子组件转动连接。

可选地，所述空心永磁转子组件包括永磁体，以及设置于所述永磁体外侧的转子组件；所述转子组件与所述定子组件转动连接。

可选地，所述空心永磁转子组件还包括固定压板，所述固定压板盖合于所述永磁体以及所述转子组件的上方。

可选地，还包括轴承组件，所述转子组件通过所述轴承组件与所述定子组件转动连接。

可选地，所述制浆容器的边缘设置有倾倒口，所述制浆容器的内壁上设置有阻隔块。

可选地，所述阻隔块的数量为两个，两个所述阻隔块沿所述制浆容器的中心轴对称分布，两个所述阻隔块的长度方向均沿所述制浆容器的高度方向分布，且两个所述阻隔块以及所述倾倒口于水平方向的投影处于同一直线上。

可选地，所述阻隔块为长条形圆弧凸起结构，与所述制浆容器的内壁圆弧过渡并贴合。

可选地，还包括机架，所述制浆容器、所述空心永磁转子组件以及所述定子组件均与所述机架相连；所述机架包括支撑架，连接于所述支撑架上的内护罩以及外护罩；所述制浆容器设置于所述内护罩内；所述外护罩设置于所述内护罩的外侧，所述外护罩与所述内护罩之间形成安装腔，所述空心永磁转子组件以及所述定子组件均设置于所述安装腔内。

本发明的另一目的在于提供一种半固态制浆成型方法，通过如上所述的半固态制浆装置进行制浆；

所述半固态制浆成型方法包括如下步骤：

s1：制备金属液；

s2：将所述金属液转移至所述制浆容器中，开启所述半固态制浆装置，所述空心永磁转子组件旋转，于所述制浆容器内形成半固态金属混合物；

s4：将所述半固态金属混合物充填压铸模型腔，对所述半固态金属混合物进行流变成型压铸。

可选地，按质量份数计，所述金属液的元素配比为si7～8，cu<0.08，mg0.35～0.5，mn0.25～0.5，fe<1.0，al88.92～89.92。

与现有技术相比，本发明提供的半固态制浆装置具有如下优势：

本发明提供的半固态制浆装置，由于去除了驱动电机作为旋转的驱动机构，不会产生磁干扰，从而有利于在保证搅拌效果的基础上，提高半固态制浆装置的使用寿命。

附图说明

图1为本发明所述的半固态制浆装置的剖视图；

图2为本发明所述的半固态制浆装置的内部结构简图；

图3为本发明所述的制浆容器的结构简图；

图4为本发明所述的半固态制浆装置的结构简图；

图5为本发明所述的制浆容器内的磁场分布示意图；

图6为制浆容器内不设置阻隔块时金属液的磁场分布示意图；

图7为普通压铸制备的压铸铝硅合金的金相图；

图8为本发明所述的半固态制浆成型方法制备的压铸铝硅合金的显微放大图。

附图标记说明：

1-制浆容器；11-倾倒口；12-阻隔块；13-把手；131-插接孔；2-空心永磁转子组件；21-永磁体；22-转子组件；23-固定压板；3-定子组件；4-轴承组件；5-机架；51-支撑架；52-内护罩；53-外护罩；54-盖板；6-温度探测器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中表示，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“周向”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于简化描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性，或隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定为“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第一特征之“上”或之“下”，可以包括第一特征和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征的正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

现有的半固态制浆装置，将电磁体设置于制浆容器的外侧，并将电磁体与支撑架固定，然后通过驱动电机直接驱动整个支撑架旋转，来使得电磁体旋转，利用磁感应对制浆容器内的金属液进行搅拌。通过驱动电机驱动整个支撑架旋转，进而实现电磁体旋转的方式，一方面，耗电量极大，80kg的铝合金混合物，耗电量4千瓦/h以上；另一方面，由于驱动电机自身利用外定子内转子的结构来驱动主轴旋转，驱动电机内部具有绕组和磁钢，而位于搅拌装置顶部的电磁体也具有庞大的永磁磁铁组，在启动状态下，搅拌装置顶部的永磁磁铁组容易对驱动电机产生磁干扰，影响驱动电机的使用寿命。

为解决目前半固态制浆装置在启动状态下，搅拌装置顶部的永磁磁铁组容易对驱动电机产生磁干扰的问题，本发明提供一种半固态制浆装置，参见图1、图2所示，该半固态制浆装置从内到外依次设置有制浆容器1、空心永磁转子组件2以及定子组件3；其中，空心永磁转子组件2与定子组件3转动连接。

制浆容器1用于放置金属液，本申请优选该制浆容器1的材质为陶瓷；空心永磁转子组件2为空心结构，套设于制浆容器1的外侧；定子组件3套接于空心永磁转子组件2的外侧，并使空心永磁转子组件2与定子组件3转动连接，从而使得空心永磁转子组件2能够在定子组件3内进行旋转。

该半固态制浆装置工作过程中，将金属液放置于制浆容器1中，定子组件3接通电流后，产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下，空心永磁转子组件2于水平方向进行旋转，旋转过程中，空心永磁转子组件2产生交变磁场；交变磁场促使制浆容器1中的金属液内部产生感应电流，在感应电流作用下，促使金属液发生强迫对流，从而达到对金属液进行混合的目的。

本发明提供的半固态制浆装置，采用外定子、内转子的结构形式，并将空心永磁转子组件2设置为空心结构，使得制浆容器1位于空心永磁转子组件2的内侧，通过定子组件3通电情况下产生的旋转磁场驱动空心永磁转子组件2转动，进而通过旋转的空心永磁转子组件2产生的交变磁场来促使制浆容器1中的金属液发生强迫对流，实现搅拌；由于去除了驱动电机作为旋转的驱动机构，不会产生磁干扰，从而有利于在保证搅拌效果的基础上，提高半固态制浆装置的使用寿命。

同时，本申请提供的半固态制浆装置，由于去除了驱动电机，有利于减小该搅拌装置的体积；由于不需要通过电机来对整个支撑架进行旋转，有利于降低能耗，减少成本；具体的，本申请提供的半固态制浆装置，对于80kg的铝合金混合物，使用三相交流电，耗电量可降低至1～2千瓦/h，与现有的半固态制浆装置相比，耗电量节约了至少2千瓦/h。

本申请中的定子组件3包括定子铁心和定子绕组，并优选定子绕组为分布式绕组；定子绕组接有三相交变电流，依靠改变输入到定子绕组上的电流波交变频率和波形，在定子绕组线圈周围形成一个绕空心永磁转子组件2的几何轴心旋转的磁场，通过旋转的磁场驱动空心永磁转子组件2转动。

本申请中的空心永磁转子组件2包括永磁体21，以及设置于永磁体21外侧的转子组件22，本申请优选该转子组件22包括转子磁钢；转子组件22与定子组件3转动连接。

其中永磁体21设置于制浆容器1的外侧，永磁体21的数量为若干组，且若干组永磁体21沿制浆容器1的外壁周向均匀排布，同时若干组永磁体21固定在转子组件22的内侧；本申请中各永磁体21的异性永磁体易磁化方向与空心永磁转子组件2的轴线方向垂直，且同一端的相邻两个永磁体21的磁极相反，从而形成水平旋转磁场。

定子绕组接通电流后，转子组件22进行旋转，带动永磁体21旋转，形成水平旋转磁场。

本申请中半固态制浆装置的性能与永磁体21的数量、磁钢数量、磁钢磁通强度、输入电压等因素有关；本申请优选永磁体21的数量为六组。

进一步的，本申请中的空心永磁转子组件2还包括固定压板23，该固定压板23盖合于永磁体21以及转子组件22的上方。

为实现空心永磁转子组件2与定子组件3的转动连接，本申请提供的半固态制浆装置还包括轴承组件4，转子组件22通过轴承组件4与定子组件3转动连接。

参见图3所示，本申请中的制浆容器1包括容纳金属液的腔体，以及设置于腔体外围的边缘；为便于对金属液进行倾倒，制浆容器1的边缘设置有倾倒口11，倾倒时，半固态金属混合物沿该倾倒口11流出；为提高混合搅拌效果，本申请优选制浆容器1的内壁上设置有阻隔块12，以便于在搅拌过程中，在阻隔块12的作用下，制浆容器1内的金属液形成搅拌旋涡，加强对流，达到提高混合搅拌效果的目的。

参见图5、图6所示，当制浆容器1内不设置阻挡块12时，金属液在制浆容器1内进行的是较为有序的流动，不能充分混合搅拌；本申请通过设置阻隔块12，使得金属液在阻隔块12处形成漩涡，有利于使金属液充分混合，加强搅拌作用。

本申请优选阻隔块12的数量为两个，两个阻隔块12均沿制浆容器1的高度方向分布，两个阻隔块12沿制浆容器1的中心轴对称分布，两个阻隔块12的长度方向均沿制浆容器1的高度方向分布，且两个阻隔块12以及倾倒口11于水平方向的投影处于同一直线上。

现有的半固态制浆装置中，阻隔块的位置均随机设置，以阻隔块位于倾倒口的侧边为例，对金属混合物进行倾倒时，由于金属混合物的流向为沿着制浆容器的内壁向倾倒口的方向倾斜流动，位于倾倒口侧边的阻隔块势必会对该处的金属混合物进行阻挡，使得一部分金属混合物存留于该阻隔块处，导致倾倒不畅。

具体的，参见图3所示，本申请中一个阻隔块12位于倾倒口11的下方，另一个阻隔块12设置于倾倒口11的正对面，使得两个阻隔块12的分布方向与对半固态金属混合物进行倾倒时，半固态金属混合物的流向一致，从而使得半固态金属混合物不易于在阻隔块12处存留，即不易挂壁，使得半固态金属混合物的倾倒过程更加顺畅，进而使得压铸时间以及压铸温度易于把握，有利于提高后续压铸过程中的压铸效率以及压铸质量。

进一步的，本申请优选阻隔块12为长条形圆弧凸起结构，与制浆容器1的内壁圆弧过渡并贴合，以便于通过圆弧过渡结构来与半固态金属混合物接触，进一步避免挂壁。

为便于操作，本申请优选制浆容器1的外壁上固定连接有把手13，并在把手13上设置有插接孔131；在使用过程中，本申请提供的半固态制浆装置与熔炉、压铸设备形成流水线；从熔炉到半固态制浆装置，再到压铸设备均通过机械手来移动制浆容器1；通过设置把手13以及插接孔131，有利于机械手对制浆容器1进行抓取，便于实现一体化运作，提高生产效率，节约成本。

本申请提供的半固态制浆装置还包括机架5，制浆容器1、空心永磁转子组件2以及定子组件3均与该机架5相连，以便于通过该机架5来提高半固态制浆装置结构的稳定性。

具体的，本申请中的机架5包括支撑架51，以及连接于支撑架51上的内护罩52；制浆容器1设置于该内护罩52内。

其中内护罩52内为空腔结构，空腔的形状与制浆容器1的外形相适配，制浆容器1即放置于该空腔内，以提高制浆容器1的稳定性。

进一步的，机架5还包括连接于支撑架51上的外护罩53，该外护罩53设置于内护罩52的外侧，外护罩53与内护罩52之间形成安装腔，本申请优选该安装腔为环状结构，空心永磁转子组件2以及定子组件3均设置于该安装腔内。

本申请通过内护罩52与外护罩53来对空心永磁转子组件2以及定子组件3盖合安装，保证半固态制浆装置结构的稳定性，提高安全性能，并提高美观性。

参见图4所示，本申请中的机架5还可以包括盖板54，通过该盖板54对环形安装腔进行盖合，进一步提高半固态制浆装置的安全性以及美观度。

为便于对温度进行控制，机架5上还设置有温度测器6，本申请优选该温度探测器6设置于机架5的侧边，通过该温度探测器6来对制浆容器1内浆液的温度进行检测；该温度探测器6还可以与控制系统信号连接，以便于将温度探测器6检测到的温度传送至控制系统，从而有利于更加精确的对搅拌以及压铸温度进行控制。

本申请提供的半固态制浆装置，去除了驱动电机，降低了能耗，简化了装置结构，减小了装置体积的同时，还避免了磁干扰；同时，制浆容器1对浆液进行倾倒顺畅，不易挂壁，有利于提高压铸效率以及压铸质量。

本发明的另一目的在于提供一种半固态制浆成型方法，该半固态制浆成型方法通过如上所述的半固态制浆装置进行制浆。

该半固态制浆成型方法包括如下步骤：

s1：制备金属液；

s2：将金属液转移至制浆容器1中，开启半固态制浆装置，空心永磁转子组件2旋转，于制浆容器1内形成半固态金属混合物；

s4：将半固态金属混合物充填压铸模型腔，对半固态金属混合物进行流变成型压铸。

本发明提供的半固态制浆成型方法，通过如上所述的半固态制浆装置进行制浆，去除了驱动电机作为旋转的驱动机构，不会产生磁干扰，从而有利于在保证搅拌效果的基础上，提高半固态制浆装置的使用寿命；同时，由于去除了驱动电机，有利于减小该搅拌装置的体积；由于不需要通过电机来对整个支撑架进行旋转，有利于降低能耗，减少成本。

本申请中制备金属液具体包括，在熔炉内加入原料，加热，本申请优选加热至680℃，固相率达到50％，形成金属液，该金属液的温度较高；本申请优选通过制浆容器1将熔炉中的金属液舀出，实现对金属液的转移；将金属液转移至制浆容器1中后，将制浆容器1放置于内护罩52中；在开启半固态制浆装置前，还包括对金属液进行冷却，本申请优选冷却至610℃～630℃。

按质量份数计，本申请中金属液的元素配比为si7～8，cu<0.08，mg0.35～0.5，mn0.25～0.5，fe<1.0，al88.92～89.92。

开启半固态制浆装置后，空心永磁转子组件2旋转，本申请优选该空心永磁转子组件2的转速范围为2000r/min～3000r/min，金属液在制浆容器1内产生感应电流，强迫对流，从而实现对金属液的搅拌，于制浆容器1内形成半固态金属混合物。

为便于后期脱模，本申请提供的半固态制浆成型方法在将半固态金属混合物充填压铸模型腔之前，还包括：s3：在压铸模型腔的表面涂抹脱模剂混合物。

该脱模剂混合物包括脱模剂与水，按质量份数计，脱模剂与水的配比范围为(0.6～0.7)：(80～120)。

其中脱模剂可以为现有技术中任意适于对压铸件进行脱模的物质，本申请不对脱模剂的具体成分进行限定。

由于本申请提供的半固态制浆成型方法，采用如上所述的半固态制浆装置进行制浆，使得制备的半固态金属混合物搅拌均匀，混合充分，且倾倒过程中不易于粘壁，更有利于对压铸时间以及压铸温度进行控制，同时结合对金属液配比的优化，使得经压铸后制备的产品致密度高，易于脱模，从而能够减少脱模剂的用量。

具体的，现有的半固态制浆成型方法对铝硅合金进行压铸时，按照质量份数计，型腔内使用的脱模剂与水的比例一般需要达到1：(80～120)；与现有的半固态制浆成型方法相比，本申请脱模剂的用量至少可以省去三分之一，在不影响产品质量的基础上，极大地节省了脱模剂的用量。

将半固态金属混合物充填压铸模型腔前，对半固态金属混合物进行冷却；具体的，待半固态金属混合物冷却降至600℃～620℃后，将半固态金属混合物在1500kn～3000kn的作用下，以0.5m/s～50m/s的速度充填压铸模型腔，进行流变成型压铸。

现有的半固态制浆成型方法，由于半固态制浆装置的限制，导致在半固态金属混合物进行压铸时，产品的致密性不高，力学性能较差，特别是对于低硅铝合金，由于半固态压铸的流动性主要由浆体的固相率决定，受合金含硅量影响小，因此其制作的元素配比就显得尤为重要，同时其温度、搅拌速率等都有关系，参见图7所示，普通的压铸铝硅合金的金相为枝状晶结构；参见图8所示，本发明提供的半固态制浆成型方法制备的压铸铝硅合金的微观组织为球状晶结构；本发明提供的半固态制浆成型方法，基于对半固态制浆装置以及成型工艺的改进，在节约了成本的基础上，仍然能够实现球状晶结构，使得制备的产品具有良好的机械性能。

现有的半固态压铸铝硅合金，特别是al含量达到89％以上，si含量7％以上的半固态压铸铝硅合金，其一般密度为2.6g/cm³～2.65g/cm³，2.65g/cm³以上相对困难，抗拉强度为240mpa～360mpa，屈服强度为250mpa～255mpa，硬度为68hb～70hb，延伸率4.5％～5％，其力学性能较差，无法满足一些特种设备的要求。

对本申请制备的半固态压铸铝合金进行性能测试，测试结果见下表一、表二所示。

表一

表二

从上述检测结果可知，采用本申请提供的半固态制浆成型方法制得的铝硅合金(al88.92％～89.92％，si7％～8％)，经测试，机械性能佳，机械性能主要体现在抗拉强度、屈服强度、延伸率上；具体的，抗拉强度360mpa～380mpa、屈服强度260mpa～280mpa、延伸率5％～6％；硬度高，内部硬度可达到74～78hbw10/3000kg，球化率为50％～80％,固相率48％～52％，晶粒大小小于60μm。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。